風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的功率尺寸不斷增加，同時減少了機艙區(qū)域中為變壓器提供的空間。 這給變壓器套管設(shè)計帶來了若干挑戰(zhàn)，其中之一是環(huán)境溫度的顯著升高。 因此，美國H-J 公司開發(fā)了一種用于變壓器套管的新型高溫環(huán)氧樹脂，以幫助變壓器制造商匹配其高溫絕緣系統(tǒng)。

　　這種新型高溫環(huán)氧樹脂適用于在 155°C 下連續(xù)使用，從而允許用戶的系統(tǒng)在更熱的情況下運行，并將更高功率設(shè)備容入更小的空間中。美國H-J 目前生產(chǎn)的套管采用專有環(huán)氧樹脂混合物，最高工作溫度為 105、120 和 155°C。

　　由美國H-J 的工程團隊撰寫的以下論文將提供有關(guān)這個非常重要主題的詳細信息，我們很高興與您分享。

　　摘要

　　由于電力行業(yè)應(yīng)用的需求快速變化，電絕緣組件設(shè)計變得越來越具有挑戰(zhàn)性。 降低成本和提高性能要求對傳統(tǒng)絕緣解決方案提出了新的挑戰(zhàn)。 現(xiàn)代絕緣元件設(shè)計必須突破介電性能的極限，同時最大限度地提高各種環(huán)境中的機械強度特性。 特別是，太陽能和風(fēng)能等可再生能源的使用、尺寸和規(guī)模的最新進展需要能夠在高溫環(huán)境中提供高介電強度和機械強度的增強性能的環(huán)氧樹脂絕緣材料。

　　本文總結(jié)了環(huán)氧樹脂組件絕緣的簡要歷史和現(xiàn)狀，并評論了在高溫應(yīng)用中需要增強材料性能的應(yīng)用所取得的進步。

　　索引詞：環(huán)氧樹脂、高溫、絕緣子、套管、電力變壓器、開關(guān)設(shè)備。

 

　　Ⅰ.介紹

　　自 1960 年代以來，環(huán)氧材料一直用于北美的電氣絕緣應(yīng)用。 材料的進步導(dǎo)致了性能的提高，自那時起，環(huán)氧樹脂在絕緣組件設(shè)計中的使用穩(wěn)步增長。

 

組件類型	典型應(yīng)用	材料/環(huán)境
開關(guān)和母線（Standoff）絕緣子	開關(guān)設(shè)備 母線槽	Bis-A 環(huán)氧樹脂 – 封閉式應(yīng)用 脂環(huán)族環(huán)氧樹脂 – 戶外應(yīng)用
頂部進入式或頂蓋安裝式套管	開關(guān)設(shè)備 配電斷路器	脂環(huán)族環(huán)氧樹脂 – 戶外應(yīng)用
變壓器套管	配電變壓器 電力變壓器	Bis-A 環(huán)氧樹脂 – 封閉式應(yīng)用 脂環(huán)族環(huán)氧樹脂 – 戶外應(yīng)用
可分離連接器（Deadbreak 套管）	配電變壓器 開關(guān)設(shè)備	脂環(huán)族環(huán)氧樹脂 SF6 兼容環(huán)氧樹脂

　　

　　與傳統(tǒng)絕緣材料相比，使用澆注樹脂系統(tǒng)帶來的設(shè)計靈活性具有許多優(yōu)勢。 隨著脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料的開發(fā)，最初在基本封閉應(yīng)用中使用雙酚 A (Bis-A) 材料的應(yīng)用演變?yōu)閼敉?、紫外線暴露應(yīng)用。 現(xiàn)在，環(huán)氧樹脂材料廣泛用于各種環(huán)境中的電氣絕緣應(yīng)用，包括戶外、紫外線暴露; 高污染環(huán)境; 高環(huán)境溫度環(huán)境; 以及氣體絕緣系統(tǒng)，例如 SF6。

　　典型的環(huán)氧樹脂材料和環(huán)境有：

• 雙酚 A：室內(nèi)應(yīng)用或無紫外線照射的全封閉室外應(yīng)用。
• 脂環(huán)族：暴露在紫外線下的戶外應(yīng)用。
• SF6 兼容：氣體絕緣系統(tǒng)。

 

　　Ⅱ.趨勢

　　設(shè)備設(shè)計的不斷進步和新應(yīng)用的發(fā)展產(chǎn)生了對環(huán)氧樹脂材料的需求，這些材料在電氣、熱和機械性能方面表現(xiàn)出增強的特性。 最近，隨著超過 105°C 和 120°C 的最常見工業(yè)溫度等級的更高工作溫度的趨勢，需要開發(fā)能夠在顯著更高的 Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)和 HDT(熱變形溫度)下工作的環(huán)氧樹脂。 Tg 和 HDT 屬性更明確的定義如下：

　　A.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)

　　是材料改變狀態(tài)的溫度范圍，從玻璃狀的剛性固體到更柔韌的橡膠狀化合物。

　　B.熱變形溫度 (HDT)

　　通常稱為熱變形溫度或熱畸變溫度是聚合物在指定載荷下變形的溫度。’HDT 是材料不能用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的溫度極限的有用指標(biāo)……’

 

　　這種更高工作溫度趨勢的主要驅(qū)動因素是：

• 設(shè)備設(shè)計：降低成本和空間限制導(dǎo)致設(shè)備占地面積更小，冷卻能力降低; 以及對在更高電流密度下運行的載流部件進行更高效的部件設(shè)計的要求。 因此，更高的環(huán)境溫度和組件工作溫度更為普遍。

　　

　　懸臂載荷試驗

 

• 不斷發(fā)展的技術(shù)和應(yīng)用：太陽能和風(fēng)能發(fā)電的顯著增加給變壓器和開關(guān)設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。 變壓器設(shè)計變得更加緊湊以在高電流下運行，通常是在過載條件下。 超過 40°C 的極高環(huán)境溫度很常見，在某些情況下，在無法使用傳統(tǒng)冷卻方法的外殼中連續(xù)運行時高達 75°C。

　　在所有情況下，這些操作條件都與典型的組件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)形成鮮明對比。

 

　　美國H-J 公司的化學(xué)工程師開發(fā)并實施了環(huán)氧樹脂配方解決方案，以滿足這些更苛刻的要求。 基本挑戰(zhàn)是為組件設(shè)計一種能夠承受高環(huán)境溫度和高連續(xù)工作溫度的配方。 從而開發(fā)出一種能夠在這些特殊條件下運行的環(huán)氧樹脂絕緣材料，同時保持所需的電氣和機械性能。 該材料作為增強型雙酚 A 環(huán)氧樹脂，可提供高于 155°C 級操作要求的 Tg 和 HDT 性能。 這些材料允許組件在 155°C 或更高溫度下運行，而不會對材料的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生不利影響。 是否適合在高于 155°C 的額定溫度下運行可能因應(yīng)用和組件幾何形狀而異。

　　

　　美國H-J 高壓試驗室

 

	標(biāo)準(zhǔn)	單位	數(shù)值
介電性能
體積電阻率	ASTM  D257	Ω-cm@25℃5.7	5.7×1015
介電強度	ASTM  D149-09	V/MIL0.125"THICK	680
介電常數(shù)	ASTM  D150-11	@23℃，600Hz	＞4.0
損耗因數(shù)	ASTM  D150-11	@23℃，600Hz	0.01
傾斜平面跟蹤	ASTM  D2303	MINUTES@2.5KV	＞500
機械性能
抗彎強度	ASTM  D790-10procA	psi	13000
抗壓強度	ASTM  D695-10	psi	＞22,000
抗拉強度	ASTM  D638	psi	7,600
IZOD抗沖擊性	ASTM  D256-10 methodA	ft-lb/in2	0.32
連續(xù)工作溫度，等級		℃	＞155
可燃性測試	ASTM  D3801，IEC707，ISO1210	1/4“Thickness	V0
吸水率	ASTM  D570	%wt.	0.10%

　　

　　Ⅲ.材料數(shù)據(jù)和測試總結(jié)

　　進行了一系列材料測試以驗證增強型 Bis-A 環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在這些應(yīng)用中的適用性。 下面總結(jié)的測試驗證了材料的技術(shù)特性，并確認其適用于這些操作環(huán)境中的絕緣組件設(shè)計。 結(jié)果滿足或超過本文檔中概述的環(huán)境的要求。

 

　?、?迄今為止的設(shè)計和應(yīng)用：高工作溫度和環(huán)境溫度

　　如前所述，提高工作溫度要求的主要驅(qū)動因素是包括風(fēng)能和太陽能發(fā)電在內(nèi)的新技術(shù)。

　　特定于這些部門的組件開發(fā)包括：

• 變壓器套管：通常具有高載流能力或高電壓應(yīng)用，加上高環(huán)境溫度。

　　

　　美國H-J 套管示例

 

• 高過載應(yīng)用：客戶需要常規(guī)環(huán)氧樹脂無法滿足的頻繁過載能力和有限的壽命損失。
• 可分離的連接器，例如風(fēng)電場變壓器和太陽能應(yīng)用中使用的deadbreak bushings.
• 太陽能逆變器應(yīng)用中使用的電纜終端套管。

 

　　Ⅴ.總結(jié)和結(jié)論

　　更優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計和新技術(shù)應(yīng)用的趨勢繼續(xù)推動材料研究，以確保組件設(shè)計中使用的絕緣材料能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。 環(huán)氧樹脂提供的設(shè)計靈活性，加上額定用于高工作溫度和環(huán)境溫度的材料的可用性，繼續(xù)使環(huán)氧樹脂絕緣解決方案成為現(xiàn)在和未來絕緣組件設(shè)計的首選。

　　網(wǎng)頁： 聚合物特性數(shù)據(jù)庫 2015, 可用:

　　https://polymerdatabase.com/ polymer%20physics/HeatDistortion.html

　　

紅外測試圖像